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氣體流量計的測量原理與結構

點選次數₪·◕│•:3608 釋出時間₪·◕│•:2021-03-19 08:13:36
1◕•、氣體流量計工作原理
渦街流量計實現流量測量的理論基礎是流體力學中著名的“卡門渦街”原理│₪☁。在流動的流體中垂直插入一個稱作旋渦發生體的對稱形狀的物體(如圓柱體◕•、三角柱體)•✘◕₪│,如圖1所示│₪☁。當流體沿旋渦發生體擾流時•✘◕₪│,會在旋渦發生體下游產生不對稱◕•、但有規律的交替旋渦列•✘◕₪│,這就是所謂的卡門渦街│₪☁。
氣體流量計工作原理圖
由於旋渦之間的相互影響•✘◕₪│,其形成通常是不穩定的│₪☁。馮·卡門對渦街的穩定條件進行了研究•✘◕₪│,於1911年得到結論₪·◕│•:只有當兩旋渦列之間的距離h和同列的兩漩渦之間的距離L之比滿足h/L=0.281時•✘◕₪│,所產生的渦街才是穩定的│₪☁。
漩渦列在漩渦發生體下游非對稱地排列│₪☁。設漩渦的發生頻率為f•✘◕₪│,被測介質的平均速度為U•✘◕₪│,漩渦發生體迎面寬度為d•✘◕₪│,表體通徑為D•✘◕₪│,則根據卡門渦街原理•✘◕₪│,圓柱體後漩渦發生的頻率可用下式表達₪·◕│•:
氣體流量計公式一
式中₪·◕│•:v---漩渦發生體兩側平均流速•✘◕₪│,m/s;
      St---斯特勞哈爾數
      m---漩渦發生體兩側弓形面積與管道橫截面面積之比•✘◕₪│,其值為
氣體流量計公式二
管道內體積流量Qv為
氣體流量計公式三
氣體流量計公式四可得Qv=Kf
式中₪·◕│•:K---流量計的儀表系統;
      f---脈衝數│₪☁。
     K除與漩渦發生體◕•、管道的幾何尺寸有關外•✘◕₪│,還與斯特勞哈爾數有關│₪☁。從實驗可知•✘◕₪│,正常測量範圍的雷諾數為2×10?~7×10?•✘◕₪│,流體速度v與漩渦脫落頻率的關係是確定的│₪☁。也就是說•✘◕₪│,對於圓柱形漩渦發生體•✘◕₪│,在這個範圍內它的St是常數•✘◕₪│,並約等於0.2•✘◕₪│,與理論計算值吻合的很好│₪☁。對於圓柱形式的漩渦發生體•✘◕₪│,其St值也是常數•✘◕₪│,但有它自己的數值│₪☁。
從上式可知•✘◕₪│,流量Qv與漩渦脫落頻率f在一定雷諾數範圍內成線性關係│₪☁。渦街流量計正是利用上述原理製成的•✘◕₪│,因此•✘◕₪│,也將這種流量計稱為線性流量計│₪☁。
 
2◕•、氣體流量計結構
氣體流量計是利用流體透過阻礙物時產生穩定的漩渦•✘◕₪│,透過測量其漩渦產生頻率而實現流量計量的│₪☁。渦街流量計由渦街流量感測器和流量顯示儀表兩部分構成│₪☁。由於各個生產廠家的產品結構的差異主要是在流量顯示儀表方面•✘◕₪│,因而這裡主要介紹渦街流量感測器│₪☁。
在應用卡門原理推導頻率與流速關係式時•✘◕₪│,使用了渦街的穩定條件₪·◕│•:間隔比h/L=0.281•✘◕₪│,這說明漩渦產生的頻率受到一定的漩渦空間構造影響•✘◕₪│,而漩渦的空間結構與漩渦發生體的形狀有關│₪☁。
另外•✘◕₪│,在前面的討論中•✘◕₪│,我們還應該注意到₪·◕│•:
1◕•、在上述推導過程中•✘◕₪│,均是在一維流動的條件下的•✘◕₪│,然而在圓管中的流動•✘◕₪│,是具有軸對稱分佈的三維流動│₪☁。
2◕•、在上游有管道存在的條件下•✘◕₪│,會有附加的流速分佈畸變◕•、旋流◕•、波動等不穩定因素│₪☁。
上述兩點都會對漩渦的穩定性與規律性產生重要的影響│₪☁。所以•✘◕₪│,在渦街現象發現以後的很長時間內•✘◕₪│,一直未能用來進行測量流量•✘◕₪│,除了訊號檢測技術以外•✘◕₪│,上述兩點也是重要的原因│₪☁。為了克服上述因素帶來的影響•✘◕₪│,必須對漩渦發生體形狀有一定要求•✘◕₪│,使管內的漩渦發生體處的流動儘量接近二維流動•✘◕₪│,以控制三維流動中漩渦發生體發出的漩渦相位•✘◕₪│,使渦線彎曲變得極小│₪☁。
由此可見•✘◕₪│,漩渦發生體形狀對漩渦的發生有決定性的影響│₪☁。
1◕•、漩渦發生體形狀的基本要求
漩渦發生體的形狀有很多種•✘◕₪│,但它們必須具有一些相同的基本要求₪·◕│•:
a◕•、有鈍的(即非流線型的)截面形狀---這是產生漩渦的條件;
b◕•、上◕•、下截面形狀相同•✘◕₪│,並且左右對稱---流動接近二維流動的條件;
c◕•、邊界層分離點事固定的---斯特勞哈爾數St恆定│₪☁。
同時•✘◕₪│,漩渦發生體在管道中的安裝位置必須嚴格對稱│₪☁。漩渦發生體上游必須有直徑為10D(D為管道內徑)以上的直管•✘◕₪│,下游必須有直徑為5D以上的直管│₪☁。
2◕•、漩渦發生體的基本結構
漩渦發生體形狀有圓柱◕•、三角柱◕•、T型柱◕•、四角柱等•✘◕₪│,以下主要介紹圓柱與三角柱這兩種形式│₪☁。
a◕•、圓柱形漩渦發生體│₪☁。前面關於漩渦理論部分的內容就是以圓柱為例進行討論的│₪☁。雖然這種形式使用較早•✘◕₪│,但嚴格地說•✘◕₪│,在高流速下它的斯特勞哈爾數St並不穩定│₪☁。因此•✘◕₪│,人們就將其改進成開狹縫或開導壓孔形式│₪☁。
開導壓孔的圓柱漩渦發生器如圖6所示│₪☁。由於有導壓孔存在•✘◕₪│,在而當漩渦發出的同時產生的交替升力將使流體透過導壓孔流動•✘◕₪│,產生一邊吸入•✘◕₪│,一邊吹出的效果│₪☁。當流體附面層在圓柱表面開始分離時•✘◕₪│,在吸入一側•✘◕₪│,分離被抑制;在吹出一側•✘◕₪│,分離被促進發生│₪☁。這樣就可使流體分離點的位置固定下來•✘◕₪│,也就可以使斯特勞哈爾數St相對穩定│₪☁。
氣體流量計圓柱形漩渦發生體示意圖
b◕•、三角柱形漩渦發生體│₪☁。目前採用較多的漩渦發生體是三角柱形的•✘◕₪│,其形狀一般由實驗確定│₪☁。它不僅可以得到比圓柱更強烈的漩渦•✘◕₪│,而且它的邊界層分離點是固定的•✘◕₪│,即其斯特勞哈爾數St相對恆定•✘◕₪│,大約為St=0.16│₪☁。這樣•✘◕₪│,渦頻與流速的關係為f=0.16u/d•✘◕₪│,其中d為三角柱的底邊寬度│₪☁。三角柱漩渦發生體的形狀如圖7所示│₪☁。
氣體流量計三角柱形旋渦發生體示意圖
c◕•、檢測頻率的方法
圓柱體表面開有導壓孔•✘◕₪│,與圓柱體內部空腔想通│₪☁。空腔由隔板分成兩部分•✘◕₪│,在隔板的中央部分有一小孔•✘◕₪│,在小孔中裝有檢測流體流動的鉑電阻絲│₪☁。
當漩渦在圓柱體下游側產生時•✘◕₪│,由於升力的作用•✘◕₪│,使得圓柱體下方的壓力比上方高一些•✘◕₪│,圓柱體下方的流體在上下壓力差的作用下•✘◕₪│,從圓柱體下方導壓孔進入空腔•✘◕₪│,透過隔板中央部分的小孔•✘◕₪│,流過鉑電阻絲•✘◕₪│,從上方導壓孔流出│₪☁。如果將鉑電阻絲加熱到高於流體溫度的某溫度值•✘◕₪│,則當流體流過鉑電阻絲時•✘◕₪│,就會帶走熱量•✘◕₪│,改變其溫度•✘◕₪│,也即改變其電阻值│₪☁。當圓柱體上方產生一個漩渦時•✘◕₪│,則流體從上導壓孔進入•✘◕₪│,由下導壓孔流出•✘◕₪│,又一次透過鉑電阻絲•✘◕₪│,並改變一次它的電阻值│₪☁。由此可知₪·◕│•:電阻值變化與流動變化相對應•✘◕₪│,也即與漩渦的頻率相對應│₪☁。所以•✘◕₪│,可由檢測鉑電阻絲電阻變化頻率得到渦頻率•✘◕₪│,進而得到流量值│₪☁。當然•✘◕₪│,檢測頻率的元件不僅是鉑電阻絲•✘◕₪│,還包括其他元件•✘◕₪│,具體檢測元件與方法如表8所示│₪☁。
氣體流量計檢測頻率對照表

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